### Linux 内核及 0 号进程启动分析
#### 引言
随着全球超级计算机 TOP500 强操作系统排行榜中 Linux 占比长期保持在 85% 以上，Linux 在服务器操作系统市场占据了越来越多的份额。尤其在政府、金融、农业、交通、电信等国家关键领域以及嵌入式系统领域，Linux 得到了广泛的应用。例如，Android 操作系统就是基于 Linux 内核构建的。鉴于我国在核心信息技术产业，特别是 CPU 和操作系统领域与国际先进水平存在的差距，自主可控的核心信息技术产业发展变得尤为迫切。
本文旨在深入探讨 Linux 内核如何在裸机上被加载运行的过程，并介绍 CPU 工作模式的转换以及创建 0 号进程并启动它的整个流程。这些内容不仅为深入研究 Linux 内核的其他核心模块如内存管理、文件系统、进程调度、进程通信等提供了实践和理论基础，也为 Linux 的学习者和使用者提供了有益的启示。
#### 内核版本和硬件平台
Linux 内核版本更新迅速，因此选择合适的内核版本对于理解其启动机制至关重要。本文以 x86 平台为例，探讨 Linux 内核的启动过程。x86 架构下的 Linux 内核启动涉及到 CPU 的工作模式切换，即从实模式切换到保护模式，并在此基础上建立虚拟地址空间，进而实现多任务处理和虚拟存储器功能。
#### 内核启动过程
Linux 内核的启动过程大致可以分为以下几个阶段：
1. **BIOS 初始化**：计算机启动时，首先执行 BIOS（基本输入/输出系统）程序，完成对硬件的初始化。
2. **加载 Bootloader**：BIOS 加载 Bootloader（如 GRUB），由 Bootloader 负责加载内核映像到内存。
3. **内核初始化**：内核被加载后，会执行一系列初始化操作，包括设置中断向量表、设置 GDT（全局描述符表）、LDT（局部描述符表）等。
4. **进入保护模式**：内核通过指令将 CPU 从实模式切换至保护模式。
5. **初始化 IDT（中断描述符表）**：用于处理中断和异常。
6. **初始化 TSS（任务状态段）**：TSS 描述符保存了 CPU 上下文信息。
7. **初始化 GDT 和 LDT**：GDT 和 LDT 定义了各个段的属性。
8. **内存管理初始化**：设置页表，启用分页机制。
9. **创建 0 号进程**：作为所有用户进程的父进程。
10. **启动 init 进程**：0 号进程负责启动第一个用户态进程，通常是 `init` 或 `systemd`。
#### 创建 0 号进程
0 号进程是一个特殊的内核线程，其主要职责是初始化用户空间环境，为后续的用户进程提供必要的基础设施。创建 0 号进程的具体步骤如下：
1. **初始化内核数据结构**：包括进程控制块（PCB）、内核栈等。
2. **设置初始上下文**：为 0 号进程分配一个初始地址空间，配置页表。
3. **设置程序计数器**：将 PC 设置为内核中特定函数的地址，该函数将负责启动用户态进程。
4. **启动用户态进程**：通过调用 `fork()` 或类似函数创建用户态进程。
#### 结论
通过对 Linux 内核启动过程的深入分析，我们不仅能够理解其内部工作机制，还能够为后续的研究和开发打下坚实的基础。尤其是对于 CPU 工作模式的切换和分页机制的理解，对于掌握 Linux 如何支持多任务处理和虚拟存储器至关重要。此外，对于 0 号进程的创建和启动过程的剖析也有助于我们更好地理解 Linux 系统启动时的初始环境构建。这些知识对于从事 Linux 系统开发和维护的专业人士来说尤为重要。
